солнечное осветительное устройство с защитой от прямых солнечных лучей

Формула изобретения

1. СОЛНЕЧНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ЗАЩИТОЙ ОТ ПРЯМЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ, включающее поворотный экран с гелиоприемником и отводящим энергию элементом, механизм поворота экрана с приводом, соединенным с датчиком слежения, отличающееся тем, что оно снабжено элементом переменного по радиусу пропускания, размещенным перед гелиоприемником, механизмом перемещения элемента переменного по радиусу пропускания вдоль оптической оси гелиоприемника и датчиком уровня освещенности, который установлен на освещаемом участке и первый выход которого соединен с датчиком слежения, а второй выход с механизмом перемещения элемента переменного по радиусу пропускания, при этом экран установлен на опоре и выполнен с криволинейной формой гелиоприемника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элемент переменного по радиусу пропускания выполнен в виде вращающейся многолучевой звездочки, начала и концы лучей которой совмещены на двух спиралях, первая из которых охватывает центральную зону гелиоприемника, а вторая вписана в его периферийную зону, при этом механизм перемещения элемента переменного по радиусу пропускания вдоль оптической оси гелиоприемника кинематически связан с осью звездочки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и оптическому приборостроению, в частности к сиcтемам регулирования светового потока, и может быть использовано в устройствах, способствующих созданию комфортной световой среды в помещениях и защите их от прямых солнечных лучей и использующих солнечное излучение.

В настоящее время проблема создания экологически чистых, доступных и дешевых источников энергии встала достаточно остро. Особое место среди таких источников энергии по неисчерпаемости и доступности занимает солнечная энергия. Устройства, используемые в настоящее время для регулирования светового потока помещений, требующих дополнительного освещения, являются недостаточно эффективными, вследствие ряда причин. Так, дополнительное естественное освещение таких помещений требует наличия дополнительных приспособлений типа штор, защитных экранов и т.п. обеспечивающих защиту помещения от попадания прямых солнечных лучей, и не может осуществить освещение помещений, расположенных, например, с северной стороны здания, где солнце никогда не появляется. Такие устройства приводят к нарушению эстетичности интерьера и убранства как помещения, так и здания в целом.

Известно солнцезащитное устройство, включающее поворотный экран, закрепленный на внешней стороне обрамления проема, механизм поворота экрана с приводом и защитное покрытие [1]

Однако известное устройство не обеспечивает защиту освещаемого помещения от попадания прямых солнечных лучей, так как отражение от поворотного экрана солнечного излучения производит ослепляющее действие в освещаемом помещении, и поэтому требуется создание дополнительных солнцезащитных устройств, например шторных регуляторов. Не обеспечивается дополнительное освещение дальней от светопроема зоны помещения и эффективное использование солнечного излучения, а также нарушается эстетический интерьер и убранство как помещения, так и здания в целом. Известное солнцезащитное устройство функционирует только при наличии оптического покрытия на экране.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является солнечное осветительное устройство с защитой от прямых солнечных лучей, включающее поворотный экран, закрепленный на нижней горизонтальной стороне обрамления проема и выполненный из двух шарнирно соединенных и последовательно установленных от проема секций, каждая из которых снабжена гелиоприемниками с отводящими энергию элементами с защитным покрытием, размещенным на дальней от проема секции экрана и выполненным в виде оболочки, имеющей форму усеченного сегмента круглого тора из материала с высокоотражающей в видимой области спектра и высокопропускающей в инфракрасной области солнечного спектра способностью, и механизм поворота экрана с приводом, выполненным в виде телескопических консолей, закрепленных на обрамлении ниже узла крепления экрана, а свободный конец каждой консоли соединен с дальней от проема секцией экрана, при этом отводящие энергию элементы пропущены через телескопические консоли [2]

Однако известное устройство не регулирует дополнительно подаваемое в помещение солнечное излучение с экрана, которое может превышать в значительной мере нормальное рабочее освещение (300 лк), особенно в летнее время, и может приводить к ослепляющему действию, что требует наличия защитных устройств (наличия выше расположенного экрана аналогичного устройства и шторного регулятора в светопроеме); нарушает эстетичность интерьера и убранства как помещения, так и здания в целом. Известное устройство функционирует только при наличии оптического защитного покрытия специальной формы.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является исключение ослепляющего воздействия отраженных от гелиоприемника прямых солнечных лучей путем регулирования отражающей способности по радиусу гелиоприемника.

Технический результат достигается тем, что известное солнечное осветительное устройство с защитой от прямых солнечных лучей, включающее поворотный экран с гелиоприемником и отводящим энергию элементом, механизм поворота экрана с приводом, соединенным с датчиком слежения, в отличие от прототипа, снабжено элементом переменного по радиусу пропускания, размещенным перед гелиоприемником, механизмом перемещения элемента переменного по радиусу пропускания вдоль оптической оси гелиоприемника и датчиком уровня освещенности, установленным на освещаемом участке, первый выход датчика уровня освещенности соединен с датчиком слежения, а второй выход с механизмом перемещения элемента переменного по радиусу пропускания, при этом экран установлен на опоре и выполнен с криволинейной формой гелиоприемника.

Элемент переменного по радиусу пропускания может быть выполнен в виде вращающейся многолучевой звездочки, начала и концы лучей которой совмещены на двух спиралях, первая из которых охватывает центральную зону гелиоприемника, а вторая вписана в его периферийную зону, при этом механизм перемещения элемента переменного по радиусу пропускания вдоль оптической оси гелиоприемника кинематически связан с осью звездочки.

На фиг.1 представлена принципиальная схема солнечного осветительного устройства с защитой от прямых солнечных лучей; на фиг.2 то же, вид спереди; на фиг.3 то же, вид слева; на фиг.4 принципиальная схема устройства в условиях эксплуатации; на фиг.5 кривые зависимости коэффициента пропускания Т от угла охвата гелиоприемника при различных положениях вращающейся звездочки (А положение звездочки вблизи отражающей поверхности; Б среднее положение звездочки; В приближение звездочки к фокусу).

Солнечное осветительное устройство с защитой от прямых солнечных лучей состоит из поворотного экрана 1 с гелиоприемником 2 криволинейной формы и отводящим энергию элементом 3, экран установлен на опоре 4; механизма поворота 5 экрана 1 с приводом, соединенным с датчиком слежения 6; элемента переменного по радиусу пропускания, выполненного в виде вращающейся многолучевой звездочки 7, начала и концы лучей которой совмещены на двух спиралях 8 и 9, первая из которых охватывает центральную зону гелиоприемника 2, а вторая вписана в его периферийную зону; механизма перемещения 11 элемента переменного по радиусу пропускания вдоль оптической оси гелиоприемника 2, кинематически связанного с осью звездочки 7; датчика уровня освещенности 10, установленного на освещаемом участке 12, первый выход датчика уровня освещенности 10 соединен с датчиком слежения 6, а второй выход с механизмом перемещения 11 элемента переменного по радиусу пропускания.

В качестве гелиоприемника 2 поворотного экрана 1 применяют, например, элемент с равномерно отражающей поверхностью, коэффициент отражения которого в видимой области спектра 82-84% выполненный из сплава алюминия АМГ-6 и обработанный до необходимого радиуса кривизны, например, R 5 м, методом алмазного точения по стандартной технологии с последующим формообразованием пуансоном в матрицу с оптически обработанными рабочими поверхностями.

В качестве датчика уровня освещенности 10 используют, например, люксметр, представляющий собой микроамперметр, подключенный, например, к селеновому фотоэлементу, или фотосопротивление (Кухлинг К. Справочник по физике под ред. Лейкина Е.М. М. Мир, 1985, с. 309).

В качестве механизма поворота 5 экрана 1 с приводом по направлению к солнцу в азимутальной и зенитной плоскостях применяют широко известные в гелиотехнике механизмы слежения за солнцем, например устройство, описанное в а. с. СССР N 1196621, кл. F 24 J 2/38, 1984.

В качестве датчика слежения 6 используют, например, светочувствительный датчик, состоящий из непрозрачного основания, в котором размещены фоточувствительные элементы, например, инфракрасные фототранзисторы ФГТ-3-02-0582. Электронная схема, передающая электрический сигнал от светочувствительных элементов (фототранзисторов) при перемещении солнца на исполнительный механизм поворота 5 экрана 1 с приводом, описана в книге Байера Т. 20 конструкций с солнечными элементами. М. Мир, 1987: c. 162-172.

Через отверстие в центре гелиоприемника 2 проходит ось вращения многолучевой звездочки 7 (фиг. 1). Последняя задерживает часть светового потока, попадающего на гелиоприемник 2, и, чем ближе к центру, тем меньше энергии проходит через звездочку 7 от отражающей поверхности гелиоприемника 2. Центральная часть звездочки 7 вообще не пропускает света. Поэтому коэффициент отражения в таком устройстве изменяется от максимума на периферии до минимума в центре. Максимальный коэффициент отражения определяется качеством оптической обработки отражающей поверхности (или качеством нанесенного отражающего покрытия) гелиоприемника 2, а минимальный составляющей зеркального отражения от рассеивающего покрытия, которое может быть нанесено на поверхность звездочки 7. За счет изменения конфигурации элемента переменного по радиусу пропускания можно корректировать закон изменения коэффициента отражения. Вращение элемента переменного по радиусу пропускания (многолучевой звездочки 7) с необходимой скоростью дает стабильную картину пропускания через элемент переменного по радиусу пропускания от гелиоприемника 2.

Начала и концы многолучевой звездочки 7 совмещены с точками, лежащими на двух спиралях 8 и 9 (фиг.2), первая из которых охватывает центральную зону, а вторая лежит в периферийной зоне. Такая конструкция позволяет более плавно изменять коэффициент пропускания от отражающей поверхности гелиоприемника 2 от центра к периферии. На фиг. 1 показано выполнение звездочки 7 в виде плоской фигуры. Звездочка 7 может быть выполнена также таким образом, что в плоскости, проходящей через ось вращения, сечения лучей расширяются к периферии, образуя форму лопастей, обеспечивающих при вращении захват воздуха для охлаждения солнечного осветительного устройства с защитой от прямых солнечных лучей.

Механизм перемещения 11 элемента переменного по радиусу пропускания представляет собой следующее. Звездочка 7 укреплена на оси 12, расположенной в центре симметрии гелиоприемника 2. Ось 12 имеет круглый прилив 14 и канал 15, в который входит ведущий хвостовик электродвигателя 16. С приливом 14 функционально связан привод перемещения звездочки 7, состоящий из вилки 17 и ходового регулирующего винта 18.

При перемещении многолучевой звездочки 7 под действием механизма перемещения 1 в сторону отражающей поверхности гелиоприемника 2 посредством вращения ходового регулирующего винта 18 повышается коэффициент пропускания к его центральной зоне (фиг. 5,А). Среднее положение звездочки 7 (фиг.5, Б) соответствует наиболее равномерной освещенности.

При приближении звездочки 7 к фокусу (фиг.5, В) расширяется диаметр центральной зоны с малым коэффициентом пропускания и резко увеличивается пропус- кающая способность через звездочку 7 с периферии гелиоприемника 2. При увеличении мощности солнечного излучения это дает возможность в наилучшей степени выравнивать освещенность освещаемого участка 13.

Вращение многолучевой звездочки 7 в процессе всего времени освещения освещаемого участка 12 достигается с помощью электродвигателя.

Солнечное осветительное устройство с защитой от прямых солнечных лучей работает следующим образом.

Устанавливают датчик уровня освещенности 10, например, в дальней от светопроема зоне участка 13 (помещения), дополнительное освещение которого производят. На датчике 10 устанавливают необходимый уровень освещенности, например, для школьного помещения 300 лк (Кухлинг К. Справочник по физике под ред. Лейкина Е.М. М. Мир, 1985, с. 307).

Устанавливают экран 1 на опоре 4 в месте, обеспечивающем беспрепятственное освещение гелиоприемника 2 солнечным светом в течение всего светового дня, например, на крыше соседнего от освещаемого участка 13 дома или на открытой площадке.

При уменьшении уровня освещенности ниже уровня, установленного на датчике 10, он посылает электрический сигнал с первого выхода на датчик слежения 6, который через электронную схему посылает электрический сигнал на механизм поворота 5, перемещающий экран 1 в азимутальной и зенитальной плоскостях по направлению к солнцу. Как только датчик слежения 6 займет положение, при котором гелиоприемник 2 экрана 1 осуществляет отражение солнечного излучения на светопроем освещаемого участка 13 (помещения), сигнал с датчика слежения 6 перестает поступать на механизм поворота 5 с приводом экрана 1, который прекращает перемещение.

Со второго выхода датчик уровня освещенности 10 посылает электрический сигнал на механизм перемещения 11 многолучевой звездочки 7 (на ходовой регулирующий винт) с одновременным включением электродвигателя 16. При этом многолучевая звездочка 7 занимает такое положение перед гелиоприемником 2, чтобы световой поток сфокусированного солнечного излучения от гелиоприемника 2, падающий на светопроем освещаемого участка 13 (помещения) при добавлении к естественной освещенности последнего, повышал уровень освещенности в нем до заданного (300 лк) датчиком 10. После этого электрические сигналы с датчика уровня освещенности 10 перестают поступать на датчик слежения 6 и механизм перемещения 11 многолучевой звездочки 7. При очередном уменьшении уровня освещенности на участке 13 (помещении) в результате изменения положения солнца при уменьшении естественного уровня освещенности электрические сигналы с датчика уровня освещенности 10 вновь поступают на датчик слежения 6 и на механизм перемещения 11 многолучевой звездочки 7, вызывая вновь, описанные выше, изменения положения гелиоприемника 2 по направлению к солнцу, обеспечивающее освещение отраженным солнечным излучением светопроема, и положения звездочки 7, при котором уровень освещенности на участке 13 (помещении) достигает 300 лк, заданного датчиком 10 уровня нормальной освещенности и т. д.

При эксплуатации солнечного осветительного устройства с защитной от прямых солнечных лучей преимущественно в летний период освещенность, создаваемая солнечным излучением, составляет 100000 лк, а при облачном небе 5000-20000 лк, что часто является недостаточным для обеспечения нормативной рабочей освещенности участка 13 (помещения) (300 лк), расположенного с северной стороны здания, куда не попадают прямые солнечные лучи. Однако в летний период довольно высок уровень естественной освещенности, и при использовании солнечного осветительного устройства с защитой от прямых солнечных лучей для поддержания заданного уровня освещенности затемненных участков 13 (помещений) положение многолучевой звездочки 7 вблизи фокуса гелиоприемника 2 определяется с помощью механизма перемещения 11 по сигналу с датчика 10. При этом спектральная характеристика пропускания солнечного излучения через звездочку 7 соответствует спектру, представленному на фиг.5, В. В этом случае пропускаемое через звездочку 7 излучение является минимальным и представляет собой отраженное от периферийных участков гелиоприемника 2 солнечное излучение, обеспечивающее дополнительное освещение участку 13 до заданного датчиком уровня освещенности 10 нормального значения (300 лк).

В режиме работы солнечного осветительного устройства с защитой прямых солнечных лучей преимущественно в зимний период освещенность, создаваемая солнечным светом, составляет 10000 лк, а при облачном небе 1000-2000 лк. Такой низкий уровень естественного освещения в зимний период при использовании солнечного осветительного устройства с защитой от прямых солнечных лучей требует поддержания расположения звездочки 7 с помощью регулирующего винта 16 механизма перемещения 11 при подаче сигнала от датчика уровня освещенности 10 вблизи отражающей поверхности гелиоприемника 2 (фиг.5, А). Такое расположение звездочки 7 обеспечивает значительное пропускание спектра отраженного от гелиоприемника 2 солнечного излучения, представленное на спектральной характеристике (фиг. 5, А) и, как следствие, лишь незначительная часть отраженного от гелиоприемника 2 солнечного излучения не проходит звездочку 7, тем самым, обеспечивается дополнительное к естественному освещению, освещение заданное датчиком 10 уровня освещенности (300 лк) преимущественно в зимний период.

Среднее положение звездочки 7 (фиг.5, Б) используется при среднем уровне естественной освещенности, имеющем место преимущественно в осенне-весенний периоды.

Расстояние от освещаемого участка 13 (помещения) до солнечного осветительного устройства с защитой от прямых солнечных лучей составляет не более 230 м и обусловлено как факторами пространственного порядка (высота здания, возможность присутствия других затрудняющих освещение объектов), так и рассеиванием отраженного солнечного излучения, например, под действием интерференции и т.п. резко возрастающим на больших расстояниях и затрудняющим передачу контролируемого потока солнечного излучения на большие расстояния.

Объем и размеры участка 13 (помещения) соответствуют габаритам среднего школьного помещения 10 м (длина) х 5 м (ширина) х 5 м (высота) и необходимому уровню освещенности в нем (300 лк) (величина светопроема).

Площадь S_г отражающей поверхности гелиоприемника 2 ориентировочно рассчитывается согласно формуле

Е_норм. S_п О₃ S_г R + Е_ест., где Е_норм. 300 лк заданная освещенность на датчике освещенности 6;

S_п 25 м² площадь дальней от светопроема стены помещения 13;

О₃ 10000 лк и Е_ест. 1000 лк освещенность от солнца и уровень естественной освещенности светопроема с северной стороны здания в зимний период, соответственно;

R коэффициент отражения гелиоприемника 2.

В начальный период эксплуатации R может достигать значений, получаемых при оптической обработке для используемого материала (медь до 85% алюминий до 90%), однако такие величины нецелесообразно использовать из-за их быстрого снижения под воздействием неблагоприятных климатических факторов. Более экономически целесообразен коэффициент отражения близкий к 84% При значениях параметров максимальная площадь отражающей поверхности S_r гелиоприемника составляет 0,77 м².

Оптимальный радиус кривизны гелиоприемника 2 составляет ориентировочно 4-35 м и соответствует созданию необходимого фокального пятна в освещаемом светопроеме помещения 13 при рабочем расстоянии от солнечного осветительного устройства с защитой от прямых солнечных лучей до освещаемого участка 12 230 м и площади светопроема 2х2 м².

На основании вышеизложенного достигаемым новым техническим результатом предлагаемого изобретения является:

защита от ослепляющего воздействия отраженных от гелиоприемника прямых солнечных лучей освещаемого участка путем регулирования отражающей способности гелиоприемника по радиусу;

поддержка заданного уровня освещенности на освещаемом участке (помещении);

обеспечение высокой плавности и регулирования отражающей способности гелиоприемника путем осуществления перемещения относительно гелиоприемника многолучевой звездочки специальной конструкции.